Vue du réseau de télescopes Hess en Namibie. L'acronyme Hess rappelle le nom du prix Nobel de physique de 1936, Victor Hess, qui a découvert les rayons cosmiques au début du XXe siècle (1912-1913). L'image est un montage d'une photographie de la Voie lactée prise de nuit en Namibie avec les sources de rayons gamma déduites du rayonnement Cherenkov observé par Hess. © Hess Collaboration, Fabio Acero et Henning Gast

Sciences

Le trou noir de la Voie lactée nous bombarderait avec des rayons cosmiques

ActualitéClassé sous :trous noirs , Rayon cosmique , gamma

Certains rayons cosmiques sont produits par des accélérateurs de particules naturels surpassant au moins d'un facteur 100 les énergies atteintes au LHC. Pour la première fois, l'origine probable de ces particules a été déterminée. Elles proviendraient du cœur même de la Voie lactée, là où siège le trou noir supermassif Sagittarius A*.

Cela fait plus d'un siècle que le physicien autrichien Victor Franz Hess a découvert l'existence des rayons cosmiques à l'aide d'expériences réalisées en ballon. En 1912, il avait constaté que le taux d'ions dans l'atmosphère augmentait avec l'altitude, l'inverse de ce qui était prévu. Jusque-là, en effet, la production de ces ions était attribuée aux éléments radioactifs de la croûte terrestre. Conclusion : il existe un rayonnement ionisant en provenance de l'espace et frappant les hautes couches de l'atmosphère.

D'où viennent-ils ? Dès 1949, le grand physicien Enrico Fermi a proposé des mécanismes d'accélération des particules chargées dans des nuages interstellaires magnétisés. Par la suite, on a généralement admis que les rayons cosmiques, constitués à 90 % de protons (le reste étant des électrons et des noyaux), proviennent probablement d'explosions de supernovae et que les mécanismes de Fermi (rassemblés sous le nom d'accélération de Fermi) devaient être à l'œuvre dans les restes de supernovae.

Le démontrer n'a rien d'évident car, lors de leur long voyage, les particules chargées subissent l'effet des champs magnétiques de la Voie lactée, parfois turbulents. Au final, leurs trajectoires deviennent très complexes, un peu comme celle d'une particule suivant un mouvement brownien. La direction d'arrivée observée sur Terre peut donc très bien être radicalement différente de celle de leur origine.

Comment détecter ces flots de particules (essentiellement des protons) qui forment le rayonnement cosmique galactique ? Lorsqu'il sont produits, ou lorsqu'ils sont accélérés, à leur source ou au voisnage, ils génèrent des rayons gamma. Ce sont eux qui heurtent notre atmosphère. Très énergétiques, ils engendrent une gerbe de particules, lesquelles engendrent une « lumière Cherenkov ». C'est elle que détecte le réseau de télescopes Hess. © PHoCEA DSM 2016

Des rayons gamma pour localiser les sources de rayons cosmiques

Toutefois, au fil du temps, l'étude des rayons cosmiques, notamment en fonction de leur énergie, a progressé. On a démontré que certains rayons cosmiques de basses énergies proviennent effectivement des supernovae mais d'autres, de très hautes énergies, sont probablement produits par des noyaux actifs de galaxies (AGN), comme les quasars, c'est-à-dire, en fait, dans l'environnement de trous noirs supermassifs.

Une des techniques utilisées pour préciser l'origine des rayons cosmiques, ainsi que les mécanismes d'accélération qui en sont responsables, consiste à étudier le ciel dans le domaine des rayons gamma. En effet, les photons ne sont pas déviés par les champs magnétiques galactiques. Les rayons cosmiques produits, en entrant en collision avec la matière au voisinage de leurs sources, provoquent une émission intense de rayons gamma.

On peut donc détecter indirectement ces sources et remonter au spectre d'énergie de ces particules en étudiant celui des rayons gamma.

Lorsque ces photons gamma atteignent l'atmosphère de la Terre, ils provoquent des gerbes de particules secondaires qui, tout en se propageant vers le sol, génèrent un rayonnement caractéristique, le rayonnement Cherenkov. C'est ce rayonnement que les miroirs de certains télescopes au sol peuvent capter. Il est en effet impossible de créer directement une image avec des photons gamma car il n'existe pas de miroir pour ce type de rayonnement.

Les signatures de rayons cosmiques de faibles énergies, du GeV au TeV, ont ainsi été découvertes en association avec des restes de supernovae. Mais il restait impossible d'expliquer et encore moins de localiser des rayons cosmiques de plus grandes énergies, de l'ordre du PeV, soit des milliers de TeV, des niveaux au moins 100 fois plus élevés que celles atteintes au LHC. La situation vient toutefois de changer, comme l'explique une publication de la collaboration Hess (High Energy Stereoscopic System) dans le journal Nature.

Une source de rayonnement cosmique à des énergies encore jamais observées dans notre Galaxie a pu être identifiée grâce au réseau de télescopes Hess, en Namibie. Il s’agit du trou noir supermassif central. L’énigme centenaire sur l’origine des rayons cosmiques galactiques est enfin presque résolue. Intervenant : Emmanuel Moulin SPP/ Irfu / CEA Réalisation : Alice Mounissamy – communication de l’Irfu / CEA © CEA Sciences, YouTube

Sagittarius A* est-il un Pévatron ?

Rappelons que Hess est un ensemble de cinq télescopes imageurs à effet Cherenkov situés dans l'hémisphère Sud, sur les hauts plateaux Khomas en Namibie. De 2004 à 2013, la machine a notamment permis d'accumuler des observations de la région centrale de la Voie lactée, facilement observable dans cette partie du monde. Une puissante source de rayons gamma bien localisée a ainsi été mise en évidence et les énergies des rayons cosmiques à l'origine des photons gamma ont été déterminées. Voilà un accélérateur de particules naturel capable de produire des particules dont les énergies sont au moins de l'ordre du pétaélectronvolt (PeV). C'est la première fois qu'un « Pévatron » a pu être détecté.

Mais quelle source astrophysique peut expliquer un tel phénomène ? Selon les astrophysiciens, le candidat le plus probable est le fameux trou noir supermassif Sagittarius A*. Il accélérerait des protons à des énergies voisines du PeV depuis au moins mille ans. Remarquablement, si ce trou noir était plus actif dans le passé, il peut expliquer la totalité des rayons cosmiques d'énergies de l'ordre du PeV. Si les chercheurs ont raison, il y a là une fenêtre d'observation supplémentaire pour contraindre les modèles d'accrétion de la matière tombant sur les trous noirs géants au cœur des grandes galaxies, et donc les AGN.